低壓安全注入泵振動(dòng)超標(biāo)分析及處理

溫青云　鮑宇　石堅(jiān)　楊銘

【摘 要】某核電站安全注入系統(tǒng)（RIS）在調(diào)試期間，低壓安全注入泵（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“低壓安注泵”）的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（立式高壓電機(jī)）自由端軸承徑向振動(dòng)超標(biāo)故障，其它方向振動(dòng)值合格。通過(guò)分類(lèi)遞進(jìn)探究故障原因，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得的基礎(chǔ)底板下沉量、結(jié)合面水平度、連接螺栓虛腳情況以及振動(dòng)變化頻譜和趨勢(shì)等逐一驗(yàn)證，分析出故障為結(jié)構(gòu)共振所致。通過(guò)增強(qiáng)系統(tǒng)剛性消除結(jié)構(gòu)共振的方法，最終消除振動(dòng)故障，保障了設(shè)備安全運(yùn)行，也為同類(lèi)型電機(jī)振動(dòng)故障處理提供了參考。

【關(guān)鍵詞】立式高壓電機(jī)；振動(dòng)超標(biāo)；結(jié)構(gòu)共振；增強(qiáng)剛性

1 背景概述

某核電站低壓安注泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是6KV立式高壓電機(jī)，其自由端和驅(qū)動(dòng)端均為滾動(dòng)軸承，并分別設(shè)置3個(gè)振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，軸向、徑向和垂直方向（以下用H向、V向和H向替代）。在電機(jī)進(jìn)行單體試車(chē)期間，其自由端軸承的V向（冷卻器水箱方向）振動(dòng)烈度超過(guò)廠家技術(shù)文件規(guī)定的2.8mm/s[1]限值，其它方向均合格。

2 故障分析

電機(jī)振動(dòng)故障原因主要分為電氣和機(jī)械兩方面。振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量人員采用斷電法監(jiān)測(cè)到停機(jī)后振動(dòng)值未立即明顯降低，同時(shí)電氣人員檢查接線等正確無(wú)誤，由此初步確定該故障并非電氣原因而是由機(jī)械方面所致。

通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，采集到振動(dòng)故障的頻譜圖中發(fā)現(xiàn)25.16Hz為突出的故障頻率，和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子工頻一致。

注：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量安注電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為1485rpm，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率（工頻）為：

工頻=1485/60=24.75Hz

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究數(shù)據(jù)[2]，軸彎曲、轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)結(jié)合面不平、基礎(chǔ)螺栓存在虛腳、共振故障以及管道應(yīng)力等。

2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲和不平衡檢查

軸彎曲產(chǎn)生的振動(dòng)故障常表現(xiàn)為：徑向和軸向振動(dòng)均較大；頻譜圖中同時(shí)顯示出工頻及工頻的二倍頻或多倍頻等成分，上述特征均與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符。由此，排除了軸彎曲的因素。

轉(zhuǎn)子不平衡是常見(jiàn)的工頻振動(dòng)故障原因之一。僅依據(jù)頻譜圖中顯示唯一突出的工頻故障分量，無(wú)法斷定故障是轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)，還是機(jī)械松動(dòng)等定向振動(dòng)[3]。但對(duì)比軸承水平和垂直方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)故障僅產(chǎn)生在水平方向，即振動(dòng)故障方向不隨旋轉(zhuǎn)力變化而變化，表明該故障屬于機(jī)械松動(dòng)等定向振動(dòng)，排除轉(zhuǎn)子不平衡因素。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)合面水平度檢查

電機(jī)機(jī)座通過(guò)8顆M24×100的螺栓定位在支撐板上，支撐板則通過(guò)8顆M45×110的連接螺栓緊固在基礎(chǔ)預(yù)埋板上，基礎(chǔ)板通過(guò)8顆M45×700的雙頭基礎(chǔ)螺栓緊固于樓板水泥中。

吊走電機(jī)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電機(jī)支撐板承載面水平度在廠家要求≤0.10mm/m范圍內(nèi)。

2.3 基礎(chǔ)螺栓虛腳檢查

對(duì)電機(jī)座與支撐板連接螺栓、支撐板與基礎(chǔ)板連接螺栓的回彈量進(jìn)行打表測(cè)量，當(dāng)分別松緊連接螺栓，最大回彈量不超0.03mm。因此，連接螺栓不存在虛腳的情況。

2.4 管道應(yīng)力檢查

電機(jī)輔助管路只有冷卻水管，通過(guò)不接冷卻水，甚至斷開(kāi)冷卻水管的情況下，對(duì)電機(jī)進(jìn)行試車(chē)，發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)值未發(fā)生變化。因此，管道應(yīng)力并非影響因素。

2.5 共振故障檢查

離線測(cè)量電機(jī)的固有頻率為26.25Hz，其中電機(jī)冷卻器位置固有頻率僅為24.8HZ，而電機(jī)的轉(zhuǎn)頻為25Hz。

系統(tǒng)響應(yīng)的振幅急劇增大的現(xiàn)象稱(chēng)為共振。通常將共振頻率定義為系統(tǒng)的固有頻率，即頻率比λ=1。處于共振區(qū)附近區(qū)域稱(chēng)為共振區(qū)。電機(jī)轉(zhuǎn)速約為1500RPM，即25Hz。因此λ在1-1.1之間變化，振動(dòng)響應(yīng)在共振峰偏右區(qū)域附近變化。因此，λ為0.8-1.2的區(qū)間可視為共振區(qū)（也有人認(rèn)為λ為0.75-1.25為共振區(qū)），運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要使設(shè)備盡量不在這個(gè)區(qū)間運(yùn)行。

由此推斷，結(jié)構(gòu)共振很可能是導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)的要因。

3 缺陷處理

由上述可知，電機(jī)的在此區(qū)域內(nèi)當(dāng)激振力（轉(zhuǎn)頻）不變時(shí)，如固有頻率任何微小的變化（任何微小干擾）都會(huì)引發(fā)振幅大幅度旳變化。所以只有提高電機(jī)的固有頻率最大程度地拉開(kāi)與電機(jī)的轉(zhuǎn)頻間之的距離，才可提高它的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

根據(jù)共振頻率的簡(jiǎn)易計(jì)算公式（不考慮阻尼）：

其中，k為物體的剛性系數(shù)，單位N/m；

m為物體的質(zhì)量，單位kg。

目前電機(jī)的質(zhì)量已經(jīng)無(wú)法改變，只有通過(guò)改變電機(jī)的剛性，從而提高電機(jī)固有頻率，消除共振。

3.1 提高電機(jī)底板剛性

通過(guò)電機(jī)支撐板增加結(jié)構(gòu)筋條，增大剛性支撐。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)增加過(guò)筋條的支撐板進(jìn)行沉降量，在靜載荷狀態(tài)下，最大數(shù)值為0.03mm。

同時(shí)，對(duì)底座三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格分析，測(cè)出在靜載荷工況下，最大沉降量為0.02mm（材料彈性模量200GPa，泊松比0.3，材料密度7850kg/m3），與實(shí)際測(cè)量情況一致。

3.2 外加支撐力

在改變底座剛性的同時(shí)，外加支撐力增大電機(jī)的剛性?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)在電機(jī)水箱底部增加千斤頂試驗(yàn)效果。當(dāng)水箱底部增加千斤頂時(shí)，振動(dòng)值明顯變小，在標(biāo)準(zhǔn)范圍限值內(nèi)，如圖1所示：

4 總結(jié)

立式電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題屬于復(fù)雜類(lèi)缺陷，在很多電廠都出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似情況，處理過(guò)程中需要結(jié)合大量的數(shù)據(jù)，以及精準(zhǔn)的分析。

本文介紹了低壓安注泵立式電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)缺陷一般分析方法以及處理方案，尤其針對(duì)結(jié)構(gòu)共振缺陷，增大設(shè)備自身的剛性是一種很好的解決辦法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈陽(yáng)電力機(jī)械總廠.低壓安注泵電機(jī)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)[S].2012-06，CFC版.

[2]韓清凱.基于振動(dòng)分析的現(xiàn)代機(jī)械故障診斷原理及應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2010.

[3]周健成.旋轉(zhuǎn)設(shè)備基礎(chǔ)振動(dòng)故障診斷及處理[J].設(shè)備管理與維修，2011，12：53-54.

[責(zé)任編輯：王楠]